Способ культивирования термофильных цианобактерий

Способ культивирования термофильных цианобактерий

Реферат

Изобретение относится к биотехнологии, а именно к процессу культивирования (получения биомассы) микроводорослей.

Цианобактерий являются ценным сырьем для получения биологически активных веществ (ферментов, токсинов, витаминов, полноценного белка). Ферменты термофильных цианобактерий представляют большой интерес, так как они термостабильны и активны в широком интервале температур. Актуально культивирование видов, обитающих в районах активного вулканизма на территории нашей страны. Это обусловлено их способностью к быстрому воспроизводству биомассы в условиях высоких температур и постоянством химического состава термальных вод природных источников.

Известен способ культивирования микроводорослей, при котором в качестве питательной среды используют отходы рыбоводного производства в виде воды из рециркуляционной системы [1].

Недостаток данного способа заключается в том, что при его осуществлении затраты электроэнергии, помимо освещения и перемешивания суспензии, идут на подогрев питательной среды и обеспечение рециркуляции.

Известен способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов с периодическим чередованием световых и темновых интервалов облучения суспензии, при котором максимальное значение фотосинтеза микроорганизмов поддерживают путем изменения расхода поступающей суспензии [2].

Недостаток данного способа заключается в том, что при его осуществлении процесс фотосинтеза происходит периодически, а на изменение расхода питательной среды и для поддержания необходимой температуры суспензии требуются дополнительные затраты электроэнергии.

Известен способ культивирования фотосинтезирующих микроорганизмов, при котором с целью повышения производительности фотосинтеза поддерживают максимальное значение его интенсивности путем изменения температуры и совмещения фотосинтеза с управляемым теплообменом за счет изменения поверхности теплообмена суспензии с теплоносителем и температуры теплоносителя [3].

Недостаток данного способа заключается в том, что изменение температуры теплоносителя требует дополнительных (помимо подачи углекислоты, перемешивания, освещения) затрат электроэнергии.

Основными задачами заявляемого способа культивирования являются: получение биомассы термофильных цианобактерий рода Phormidium, упрощение технологии культивирования, снижение энергетических затрат.

Поставленные задачи решаются тем, что в способе культивирования термофильных цианобактерий рода Phormidium, включающем насыщение субстрата углекислотой, регулирование освещенности, температуры, химического состава субстрата, регулирование температуры и химического состава субстрата осуществляют путем подачи термальных вод природных источников Паратунской гидротермальной системы при обеспечении их проточности.

Использование термальных вод природных источников Паратунской гидротермальной системы позволяет исключить операции подготовки искусственной питательной среды и выделения чистой культуры, так как в качестве питательной среды используются термальные воды природных источников Паратунской гидротермальной системы, а в качестве культуры - цианобактерии рода Phormidium, выделенные из этих же природных высокотемпературных источников (их естественной среды обитания). Особенности метаболизма термофильных цианобактерий (в частности рода Phormidium) при высокой температуре (45-65°С) и слабощелочной реакции среды (рН 7,5) позволяют исключить операцию стерилизации питательной среды. Снижение энергетических затрат достигается за счет отсутствия необходимости подогрева питательной среды, а также необходимости принудительной ее проточности, так как давление термальных вод на выходе из скважин достигает 3-8 атм.

Заявляемый способ культивирования разработан для доминирующих в циано-бактериальных сообществах Паратунской гидротермальной системы (Камчатка) цианобактерий рода Phormidium - Ph. ramosum J.B. - Petersen и Ph. laminosum (Ag.) Gom., которые характеризуются высокой скоростью накопления биомассы (в среднем 55 мг сухого вещества в час на 1 м² водной поверхности). Способ разработан по результатам исследований, проведенных в период с 1995 по 2004 гг.

Химический состав термальных вод природных источников Паратунской гидротермальной системы (мг/дм³): К⁺ - 12,0; Na⁺ - 206,9; Ca²⁺ - 96,0; Mg²⁺ - 2,4; Cl^- - 113,0; SO₄ ^2- - 514,0; HCO^3-+CO₃ ^2- - 31,02; Н₃ВО₃ - 4,16; H₄SiO₄ - 29,6. Минерализация составляет 1,083 г/дм³, дебит 3,5 дм³/с, рН 7,5, температура 105°С на выходе из скважины и 47°С - в местах наиболее активного роста цианобактерий рода Phormidium. Давление выхода воды из скважины на поверхность суши 6 кгс/см². В газовом составе преобладает азот. Выбранные природные источники Паратунской гидротермальной системы являются постоянно действующими.

Из природной среды обитания отбиралась биомасса доминирующих цианобактерий рода Phormidium (Ph.ramosum и Ph.laminosum) при соблюдении стерильности (стерильным ножом в стерильные пробирки или колбы с ватно-марлевыми пробками). Образцы использовались в качестве посевного материала.

Осуществление заявляемого способа поясняется с помощью установки, представленной на схеме (фиг.1). Для запуска установки через патрубок 1 с помощью ручного открывания клапана 2 в рабочую емкость 3 (площадь рабочей поверхности 1 м²) подавался субстрат, в качестве которого использовались термальные воды природных источников Паратунской гидротермальной системы, поступающий по трубопроводу за счет естественного напора. По мере прохождения термальных вод по системе трубопровода, их давление снижается до 4 кгс/см². Температура поступающих термальных вод 65°С. При достижении необходимого уровня в 10 см субстрата в рабочей емкости 3 клапан 2 закрывают. Выключателями 4 на щите управления 5 включают мешалку с электродвигателем 6 и компрессор 7, с помощью которого через патрубок 8 субстрат непрерывно обогащался углекислотой воздуха, расход воздуха 0,003 м³ в час. Внесение посевного материала проводилось только при снижении (естественным образом) температуры субстрата до 45°С. Для внесения посевного материала вручную открывали крышку 9 и из стерильной пробирки (или колбы) вносили в субстрат цианобактерии. Регулятором 10 на щите управления 5 включали четыре люминесцентные лампы низкого давления 11 мощностью по 40 Вт каждая. После внесения посевного материала в субстрат начинался процесс ферментации. При культивировании поддерживалась освещенность 1000 лк. Дополнительная подача воздуха в рабочую емкость осуществлялась с помощью вентилятора 12, вмонтированного в крышку 9 рабочей емкости 3. Контроль температуры субстрата осуществлялся термометром 13. С помощью датчика 14 контролировалось постоянство температуры субстрата, при понижении температуры на 2-3°С (через 30-40 мин) автоматически при помощи реле 15 на щите управления 5 открывался клапан 16 патрубка 17, через который сливалась порция субстрата. При этом одновременно открывался клапан 2, через который в установку подавалась свежая порция термальной воды 65°С, равномерно распределяемая по объему субстрата при помощи мешалки 6 путем барботирования. При достижении необходимой температуры 45°С (через 5-6 мин) клапаны 2 и 16 автоматически закрывались, и процесс продолжался до очередного понижения температуры. Первый отбор биомассы проводился при образовании практически на всей поверхности субстрата слизистой пленки цианобактерий через 4-5 суток. Затем биомасса регулярно 1 раз в двое суток для поддержания низкой плотности культуры во избежание ее самозатенения и деструкции отбиралась при открытой крышке 9 установки с помощью сачка в течение 1-2 минут.

Технический результат представленного способа культивирования термофильных цианобактерий рода Phormidium (Phormidium ramosum и Phormidium laminosum) заключается в упрощении технологии получения биомассы, так как в предлагаемом способе, по сравнению с прототипом, исключены этапы закупки, доставки и предварительной подготовки субстрата, и в снижении энергетических затрат в связи с тем, что проточность термальных вод природных источников позволяет поддерживать постоянство их, как субстрата, химического состава и температуры; культивирование цианобактерий при высоких температурах (45°С) позволяет исключить процесс стерилизации субстрата; для обеспечения производства используется энергия термальных вод природных источников Паратунской гидротермальной системы, что исключает потребность в топливе и обеспечивает возможность организации круглогодичного производства.

Источники информации

1. Патент №1703682, опубл. 7 января 1992 г.

2. Авторское свидетельство №1666537, опубл. 30 июля 1991 г.

3. Авторское свидетельство №2019564, опубл. 15 сентября 1994 г.

Способ культивирования термофильных цианобактерий рода Phormidium, включающий насыщение субстрата углекислотой, регулирование освещенности, температуры и химического состава субстрата, отличающийся тем, что регулирование температуры и химического состава субстрата осуществляют путем подачи термальных вод природных источников при обеспечении их проточности.